Utiliser des produits hybrides pour bénéficier des avantages des batteries et des supercondensateurs pour alimenter les conceptions IoT

Les concepteurs de produits destinés à des applications s'étendant des petits nœuds Internet des objets (IoT), du suivi des actifs et des compteurs intelligents, à des applications plus grandes comme l'alimentation de secours des équipements et la génération de rapports d'état, ont de plus en plus besoin d'une source indépendante d'énergie rechargeable. Le plus souvent, leurs choix se limitent à une batterie électrochimique, généralement basée sur la chimie lithium (Li) ion, ou à un condensateur à double couche électrique (EDLC), souvent appelé supercondensateur. Le problème est que, utilisée seule ou combinée, chaque technologie présente certaines limites, ce qui oblige les développeurs à trouver un équilibre entre les capacités et les limites de chaque technologie et leurs objectifs de conception.

Ces objectifs, en particulier pour les applications IoT et IoT industriel (IIoT) basse consommation, incluent typiquement la fiabilité, la longévité, le rendement, la densité d'énergie et la facilité d'utilisation, se traduisant par un processus de conception et d'intégration plus simple, des temps de développement plus courts et des coûts de projet inférieurs. S'il est parfaitement possible d'utiliser ensemble à la fois les batteries Li-ion et les condensateurs EDLC pour atteindre ces objectifs, la conception et l'optimisation de ces deux approches peuvent s'avérer complexes. Une approche intégrée peut être plus appropriée.

Cet article aborde les exigences des conceptions d'alimentation IoT et les technologies derrière les batteries électrochimiques et les condensateurs EDLC. Il présente ensuite une approche alternative sous la forme de composants de stockage d'énergie hybrides qui combinent les attributs des batteries et des condensateurs EDLC dans un seul boîtier. L'article présente des exemples de dispositifs d'Eaton — Electronics Division et traite de leurs caractéristiques et de leurs applications.

Les systèmes IoT exigent une basse consommation et une longue durée de vie

Ces dernières années, on a assisté à une croissance considérable des applications basse consommation et à faible rapport cyclique, pouvant fonctionner à partir de sources d'énergie relativement petites. Bien que les circuits de ces dispositifs aient des courants de fonctionnement en mode actif s'étendant de milliampères à ampères, ces dispositifs présentent souvent un fonctionnement prolongé en mode de veille profonde qui ne nécessite généralement que quelques microampères. L'utilisation dans ces dispositifs de technologies sans fil basse consommation, bas débit et à faible rapport cyclique, comme LoRaWAN ou Bluetooth Low Energy (BLE), contribue également à minimiser la consommation d'énergie.

Pour ces conditions de fonctionnement, les concepteurs prennent généralement en compte deux technologies de stockage d'énergie : une variante de batterie Li-ion ou un supercondensateur. Chaque technologie offre des compromis en termes de capacité et de densité d'énergie, de cycles de vie, de tension aux bornes, d'auto-décharge, de plage de températures de fonctionnement, de performances à des taux de décharge faibles et élevés, et d'autres facteurs.

Principales différences entre les technologies de stockage

En bref, qu'il s'agisse d'une cellule primaire (non rechargeable) ou secondaire (rechargeable), une batterie repose sur des principes électrochimiques. Une batterie à base de lithium contient une anode en graphite et une cathode en oxyde métallique, avec un électrolyte interposé qui est généralement liquide mais qui peut être solide dans certaines implémentations. La durée de vie des cellules rechargeables est généralement limitée à quelques milliers de cycles de charge/décharge en raison de diverses formes de dégradation interne.

De plus, les batteries nécessitent une gestion sophistiquée des cellules et des blocs-batteries afin de maximiser la durée de vie tout en évitant les problèmes tels que la surcharge, l'emballement thermique ou d'autres conditions de défaut qui peuvent entraîner une dégradation des performances, la destruction des cellules, voire un incendie. Pour les concepteurs, le profil de décharge relativement plat de ces batteries simplifie l'implémentation des circuits (Figure 1).

Figure 1 : Le profil de cycle de décharge d'une cellule Li-ion typique montre une tension de sortie quasi constante jusqu'à ce que la cellule soit presque complètement déchargée. (Source de l'image : Eaton – Electronics Division)

En revanche, les condensateurs EDLC stockent l'énergie en utilisant un processus physique plutôt qu'une réaction chimique. Ces dispositifs sont symétriques avec des électrodes en charbon actif du côté de l'anode et de la cathode. Leur charge et leur décharge sont des processus électrostatiques sans réaction chimique, et leur durée de vie est pratiquement illimitée. Contrairement aux batteries, leur tension aux bornes chute linéairement en fonction de l'énergie délivrée (Figure 2).

Figure 2 : Contrairement à une cellule Li-ion, la tension de sortie d'un supercondensateur diminue régulièrement à mesure qu'il libère la charge stockée. (Source de l'image : Eaton – Electronics Division)

La technologie EDLC est un développement relativement nouveau dans le monde des composants passifs. Même dans les années 1950 et 1960, il était généralement admis qu'un condensateur, même d'un seul farad, ait la taille d'une salle. Mais la recherche sur les matériaux et les technologies de surface a conduit à de nouvelles structures et techniques de fabrication, et finalement à ce que l'on appelle le supercondensateur, qui fournit des dizaines, voire des centaines de farads dans un boîtier de taille comparable à celle d'autres composants passifs de base.

Les options de topologie exigent des compromis

En raison des différences fondamentales de conception et de performances entre les batteries et les condensateurs EDLC, les concepteurs doivent décider s'il faut utiliser un seul dispositif de stockage d'énergie ou combiner les deux. S'ils choisissent d'utiliser une combinaison, ils doivent ensuite choisir entre plusieurs topologies, chacune ayant ses propres compromis et implications en matière de performances (Figure 3).

Figure 3 : Les concepteurs peuvent combiner un supercondensateur et une batterie dans trois topologies courantes : (de haut en bas) en parallèle, comme unités indépendantes, ou combinées via un contrôleur/régulateur. (Source de l'image : Eaton – Electronics Division)

• L'approche parallèle est la plus simple, mais l'utilisation du supercondensateur n'est pas optimale, et sa tension de sortie est directement liée à la tension de la batterie.
• L'utilisation d'une batterie et d'un supercondensateur en tant qu'unités indépendantes fonctionne mieux lorsqu'il y a une charge de base non critique et une charge critique distincte, car ils fournissent chacun une alimentation indépendante pour chaque charge, mais cette approche n'offre pas l'avantage d'une quelconque synergie entre les unités séparées.
• La configuration intelligente combine les capacités de chaque source d'énergie et maximise à la fois la durée de fonctionnement et la durée de vie du cycle, mais elle nécessite des composants de gestion supplémentaires tels qu'un contrôleur et une régulation CC/CC entre les deux sources et la charge ; cette topologie est le plus souvent utilisée avec les unités d'alimentation liées au transport.

Pour de telles topologies, le choix entre une batterie et un supercondensateur n'est pas une décision de type « ou/ou ». Les concepteurs peuvent choisir d'utiliser les deux, mais l'utilisation combinée d'une batterie et d'un supercondensateur pose au concepteur le défi de trouver un équilibre optimal entre les différentes caractéristiques de chacun.

La bonne nouvelle, c'est que grâce à un composant innovant, il n'y a plus de dilemme « et/ou » lorsqu'il s'agit de choisir entre l'utilisation de batteries, de supercondensateurs ou des deux. Une gamme de composants de stockage d'énergie hybrides d'Eaton – Electronics Division combine les attributs des deux dans un seul boîtier, éliminant ainsi les compromis.

Le cas des supercondensateurs hybrides

Les supercondensateurs hybrides combinent les structures sous-jacentes des batteries et des supercondensateurs dans une seule unité physique. Ces composants hybrides ne sont pas juste un simple conditionnement d'une paire batterie/supercondensateur distincte dans un boîtier commun. Il s'agit plutôt de sources d'énergie qui fusionnent la chimie d'une batterie avec la physique d'un supercondensateur en une seule structure. Par conséquent, ces dispositifs hybrides permettent de surmonter les inconvénients distincts des batteries et des supercondensateurs tout en offrant des avantages évidents au développeur pour répondre aux exigences de conception.

Les supercondensateurs hybrides sont des dispositifs asymétriques comprenant une anode en graphite dopé au lithium et une cathode en charbon actif. Bien que le mouvement de charge soit principalement électrochimique, il se produit à une profondeur beaucoup plus faible que dans la batterie Li-ion.

Cette combinaison de technologies se traduit, entre autres, par une durée de vie très élevée (typiquement un minimum de 500 000 cycles) et une réponse très rapide aux taux de décharge élevés (Figure 4).

Figure 4 : Le supercondensateur hybride permet, entre autres, de surmonter les limites de taux et de cycles de charge/décharge d'une batterie. (Source de l'image : Eaton – Electronics Division)

En outre, aucun oxyde métallique n'est utilisé et ces supercondensateurs hybrides ne présentent donc aucun risque d'incendie ou d'emballement thermique. Les caractéristiques de sortie en fonction du niveau de charge sont également compatibles avec les besoins des systèmes basse tension et basse consommation (Figure 5).

Figure 5 : Le profil de décharge de sortie du supercondensateur hybride se situe entre celui d'une batterie et d'un supercondensateur standard. (Source de l'image : Eaton – Electronics Division)

Comme avec tous les composants et toutes les approches de conception, chaque solution de stockage d'énergie présente des compromis en termes de performances et de capacités. Le Tableau 1 montre les attributs positifs (« + ») et négatifs (« - ») de ces derniers les uns par rapport aux autres, pour des cas typiques.

Tableau 1 : La comparaison des caractéristiques typiques d'une batterie, d'un supercondensateur et d'un supercondensateur hybride montre que la version hybride combine le meilleur des deux. (Source du tableau : l'auteur, à partir de données d'Eaton – Electronics Division)

Les ingénieurs expérimentés savent qu'aucune approche n'est parfaite et que, bien souvent, un seul attribut positif de l'une des solutions disponibles est si essentiel qu'il l'emporte sur toutes les autres approches. Par conséquent, ce sont les exigences du système qui détermineront la solution finale.

Les supercondensateurs hybrides couvrent la plage farad/capacité énergétique

Contrairement à certains composants spécialisés qui n'offrent qu'un nombre limité de spécifications, ces supercondensateurs hybrides sont disponibles dans une gamme de performances assez large. Par exemple, à l'extrémité inférieure de la gamme se trouve le HS1016-3R8306-R, une unité 30 F de la série HS de cellules de supercondensateurs hybrides cylindriques d'Eaton, mesurant 18 mm de long pour un diamètre de 10,5 mm (Figure 6).

Figure 6 : Le HS1016-3R8306-R d'Eaton est une unité 30 F de la série HS de cellules de supercondensateurs hybrides cylindriques. (Source de l'image : Eaton – Electronics Division)

Le HS1016-3R8306-R a une tension de fonctionnement de 3,8 volts (V), et sa spécification critique pour la résistance série équivalente (ESR) initiale est de 550 mΩ, résultant en une densité de puissance assez élevée — jusqu'à huit fois supérieure à celle d'un supercondensateur standard. Il peut fournir un courant continu de 0,15 A (jusqu'à 2,7 A maximum) et a une capacité d'énergie stockée de 40 mWh. Comme tous les membres de la série HS, il est classifié UL, ce qui simplifie considérablement le processus d'approbation des produits.

Pour un supercondensateur hybride de plus grande capacité dans la même gamme, le HS1625-3R8227-R est un dispositif cylindrique de 220 F mesurant 27 mm de long par 16,5 mm de diamètre, avec une résistance ESR de 100 mΩ, délivrant jusqu'à 1,1 A de courant continu et 15,3 A de courant de crête. Sa capacité de stockage d'énergie totale est de 293 mWh.

Grâce à la combinaison de leur capacité, de leurs performances et de leurs spécifications physiques, les supercondensateurs hybrides d'Eaton sont bien adaptés pour fournir une puissance d'impulsion autonome pour les liaisons sans fil dans les compteurs intelligents ou en parallèle avec une batterie. Ils conviennent également parfaitement pour l'alimentation continue pendant les brèves pannes ou microcoupures dans les processus industriels et les contrôleurs logiques programmables, évitant ainsi les temps d'arrêt souvent longs que peut entraîner un problème d'alimentation, même bref. De même, ils peuvent prendre en charge la mémoire cache volatile, les serveurs et le stockage RAID multidisque dans les data centers pendant de telles interruptions de courant.

Conclusion

Pour les concepteurs de systèmes IoT, les supercondensateurs hybrides constituent une bonne option pour le stockage et la fourniture d'énergie en raison de leur haute densité d'énergie, de leur longue durée de vie et de leur tension de fonctionnement plus élevée. Grâce à ces supercondensateurs hybrides, les conceptions peuvent nécessiter moins de cellules et un volume inférieur par rapport aux supercondensateurs standard, tout en répondant mieux aux exigences de température et de durée de vie que les batteries seules. En éliminant les compromis difficiles, ces composants hybrides permettent aux ingénieurs de conception d'atteindre plus facilement des objectifs de projet ambitieux.

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